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Tolleranze: è tutta questione di costi

Pubblicato da Enrico Boesso il 17 October 2019

🕓 Tempo di lettura: 6 minuti

copertina GD&T

Tutti gli attori coinvolti nello "sviluppo prodotto", indipendentemente dal settore industriale e dai processi produttivi coinvolti, conoscono molto bene l'impatto che possono avere le tolleranze sul time-to-market e riduzione dei margini di guadagno a causa di costi non preventivati.

Pochi sanno che esistono dei metodi e degli strumenti che possono evitare tali inconvenienti attraverso la collaborazione tra progettazione, industrializzazione, produzione, supply chain, qualità e acquisti.

In questo articolo vedremo tutti gli aspetti da considerare per una efficace ed efficiente gestione delle tolleranze.

Il costo dell’imprecisione nella gestione delle tolleranze

C’è poco da fare, per quanto un processo produttivo possa essere preciso, non potrà mai essere perfetto. Le implicazioni di questa imperfezione si ripercuotono sempre sul prodotto o meglio, sulla sua qualità.

Ogni processo produttivo esiste con lo scopo di realizzare un componente ed è inevitabile che esso, una volta prodotto, differisca sempre in forma e dimensione dalla sua controparte “ideale” (chiamata “nominale” nel gergo della modellazione CAD 3D).

Le cause dell’imperfezione dei processi produttivi sono numerose e diverse in funzione della tipologia di processo. Non si vuole tentare di ridurre la loro imperfezione perchè la si da per scontata: esiste, non è in alcun modo evitabile e ci costringe ad affrontarla.

Nell’ambito tecnico, nella progettazione e nelle fasi di sviluppo prodotto, limitatamente all’ambito geometrico / dimensionale, le tolleranze svolgono proprio questo compito: servono a comunicare qual è la massima deviazione dal nominale che un componente può permettersi per garantire un determinato livello di qualità.

Frase semplice, all’apparenza, ma che nasconde aspetti con potenziali ripercussioni che possono determinare il successo o il fallimento di un‘impresa. Da un lato la qualità, intesa come prodotto privo di difetti e in grado di soddisfare le aspettative degli utilizzatori è solitamente idealizzata da manufatti con deviazioni dal nominale che tendono a zero. Dall’altro lato i costi da sostenere per ottenere un componente aumentano esponenzialmente avvicinandosi al nominale di progetto.

Affinché un business sia sostenibile e profittevole i processi produttivi non devono realizzare componenti “più precisi possibili” ma “precisi quanto basta”!

Questo è, in estrema sintesi e semplificazione, lo scopo del “Dimensional Management”: una metodologia di gestione delle tolleranze che ha lo scopo di creare progetti e sviluppare i relativi prodotti con un livello di precisione compatibile con l’applicazione e ad un livello di costi sostenibile, con l’obiettivo di massimizzare i profitti.

Perché è necessario “gestire le tolleranze”? La risposta è abbastanza semplice: come già scritto le tolleranze sono uno strumento con cui comunicare la massima deviazione che un componente prodotto nel mondo reale può permettersi rispetto alla sua controparte virtuale (nominale). Se ad essere ambigua/incompleta/errata è la comunicazione anche lo strumento non potrà esserci di grande aiuto in quando andrà a definire qualcosa di ambiguo/incompleto/errato.

Nella sua implementazione pratica il Dimensional Management si avvale di alcuni strumenti che sono imprescindibili per ottenere componenti precisi al punto giusto:

  • Specifica geometrica di prodotto.
  • Analisi delle tolleranze.
  • Controlli dimensionali.

 

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Specifica geometrica di prodotto

E’ un linguaggio standardizzato che descrive, dal punto di vista funzionale, in modo completo e non ambiguo, la variabilità concessa al componente dalle tolleranze dimensionali o dalle tolleranze geometriche. Il linguaggio si esprime attraverso le tolleranze inserite nei disegni tecnici. 

La standardizzazione è necessaria per evitare ambiguità di interpretazione della documentazione tecnica. Persone con compiti diversi (progettare, industrializzare, produrre, misurare) in luoghi differenti (la supply chain è ormai globale in tutti i settori industriali) e con percorsi formativi e background tecnici fortemente eterogenei hanno la necessità di leggere ed interpretare allo stesso modo le specifiche tecniche.

La descrizione funzionale ha lo scopo di garantire l’assemblabilità del componente e il rispetto dei requisiti del prodotto una volta che viene posto in esercizio (per esempio il rispetto di distanze di sicurezza, pericolo di interferenze, variazioni di gap da contenere per evitare perdite di carico, ecc.).6a0115711b8d26970b01b8d2a0f4ed970c-600wi

Attualmente i due “linguaggi” più diffusi a livello globale sono rappresentati della normativa ASME/GD&T (ASME Y14.5 Geometric Dimensioning & Tolerancing) e dalla raccolta di norme ISO/GPS (Geometrical Product Specification, tra le altre le ISO 8015, ISO 1101, ISO 5459 solo per citare le più importanti).

Tali norme hanno molti punti comuni e di convergenza ma anche potenziali forti differenze di interpretazione: per questo motivo è necessario conoscere entrambe. Indipendentemente dalle differenze, entrambe queste normative, stanno andando in una direzione ben definita: quella di una specifica geometrica di prodotto il più possibile di tipo “geometrico”  ottenuta attraverso l’esteso utilizzo delle tolleranze geometriche a discapito di quelle dimensionali.

Questi obiettivi si ottengono definendo i limiti di variazione, indicando chiaramente cosa misurare (rispetto a quali riferimenti) e  controllando in modo esplicito tutti gli aspetti delle variazioni (dimensione, posizione, orientamento e forma).

 

Analisi delle tolleranze (calcoli di catene delle tolleranze)

Nei prodotti assemblati le tolleranze, assegnate alle singole parti, si propagano attraverso i contatti e subiscono amplificazioni che possono impattare pesantemente la qualità finale. Le norme che regolano la specifica geometrica di prodotto non permettono da sole di fare questo tipo di valutazione che sono invece demandate ai “calcoli di propagazione delle tolleranze”. 

Una specifica geometrica corretta e completa è un ottimo strumento per dire come un componente può deviare dal nominale ma non è in grado da sola di valutare quanto gli è concesso essere imperfetto. In altre parole la specifica geometrica permette di definire su una superficie un determinato tipo di tolleranza geometrica, espressa rispetto ad un sistema di riferimento, ma non permette di definire l’ampiezza della zona di tolleranza, cioè la sua estensione.

tolleranze

L’analisi delle tolleranze identifica un ambito ben preciso: le attività di calcolo di propagazione delle tolleranze fatte durante la fase di progettazione permettono di prevedere (ancora prima di  prototipare i primi componenti) se e quanto le tolleranze stesse andranno ad incidere sui requisiti del prodotto.

Avere queste informazioni a disposizione è fondamentale perché è possibile fare considerazioni sul rapporto costi / benefici nello stringere o allargare delle tolleranze bilanciando la qualità del prodotto e la “process capability”, cioè la capacità che ha ogni processo produttivo di ottenere determinate precisioni in condizioni standard e quindi a basso costo.

Tali calcoli sono per loro natura tridimensionali e con variabili di tipo stocastico (distribuzioni di probabilità). Questi aspetti introducono un livello di complessità che non è gestibile con il classico approccio “worst case” implementato attraverso l’utilizzo di fogli di calcolo e ancor oggi ampiamente diffuso nel mondo industriale. Per questo motivo la fase di “validazione virtuale del design” nel Dimensional Management è affidata a complessi modelli di calcolo realizzati con software specifici che permettono di prendere in considerazione variabili con distribuzioni statistiche, effetti di propagazione tridimensionale e tolleranze geometriche.

 

Controlli dimensionali: misure, capacità di processo e Statistical Process Control (SPC)

La fase di verifica del rispetto delle tolleranze riveste un ruolo fondamentale nel Dimensional Management. Permette di capire se il processo produttivo è stato in grado di rispettare la specifica geometrica di prodotto.

Fino a quando non si hanno a disposizione le misure sul componente reale infatti le tolleranze sono un entità astratta, uno strumento che garantisce la funzionalità del prodotto progettato solo nell’ipotesi in cui tutte le tolleranze siano rispettate durante la fabbricazione.

E’ noto a chiunque sia familiare con aspetti di sviluppo prodotto che tale ipotesi non sia sistematicamente verificata nella pratica. Nasce quindi l’esigenza di valutare se il non rispetto di alcune tolleranze (non conformità) può essere comunque accettabile attraverso quello che si chiama processo di “accettazione in deroga”. In quest’ottica le misurazioni vengono utilizzate per valutare quanto il processo produttivo è “capace” (Cp, Cpk) di ottenere determinati livelli di precisione in determinate condizioni e qual è la sua variabilità a breve e lungo termine (SPC).

Tali informazioni sono sfruttate per eseguire analisi virtuali di accettazione in deroga, sfruttando gli stessi modelli di calcolo implementati nella fase di analisi delle tolleranze. Se confrontato con gli altri metodi di verifica disponibili (esperienza maturata sul prodotto nell’ambito dell’ufficio tecnico e costruzione di prototipi per testare la funzionalità) è chiaro che la simulazione abbatte i costi e permette stime più affidabili.

 


Il Dimensional Management è una metodologia ingegneristica che sfrutta alcuni strumenti per gestire in modo sistematico le tolleranze. L’obiettivo dichiarato è definire ed ottenere la “precisione necessaria solo dove effettivamente serve” per produrre ad un livello qualitativo accettabile (dipendente dall’applicazione) minimizzando i costi.

Attraverso l’utilizzo e l’applicazione sistematica di alcuni strumenti il Dimensional Management è in grado di validare un progetto in funzione della propagazione degli errori prima della fabbricazione, ottimizzando i valori delle tolleranze in funzione del rapporto costi derivanti dal processo produttivo / precisione richiesta alla geometria del componente.

A seguito della fabbricazione permette invece in modo efficiente di valutare le non conformità e gestire i processi di accettazione in deroga basandosi su dati affidabili.

Se vi interessa avere maggiori informazioni su queste nuove metodologie e come fare per integrarle all’interno del vostro processo produttivo contattaci, uno dei nostri esperti risponderà a tutte le tue domande.

 

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Argomenti: Gestione delle tolleranze

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